摘 要：無線通信系統(tǒng)是足球機器人閉環(huán)控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，上位機與機器人小車的通信通過無線通信模塊來實現(xiàn)。提出一種基于PTR6000的足球機器人無線通信系統(tǒng)方案，包括發(fā)射器和接收器的硬件和軟件的設計及實現(xiàn)，有效地提高了通信系統(tǒng)的性能，為足球機器人系統(tǒng)提供了一個高效可靠的通信平臺。

關鍵詞：足球機器人； 無線通信； PTR6000; DSP2407

中圖分類號：TN92534 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2012)09004503

小型機器人足球融合機械設計、自動控制、無線通信、圖像識別、智能體設計等多項技術，已成為機器人研究領域中的一個十分引人注目的熱點［1］。機器人足球比賽系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，它一般由決策、機器人小車、視覺和無線通信四個子系統(tǒng)組成［2］。其中，無線通信系統(tǒng)是銜接主機和底層機器人之間聯(lián)系的不可缺少的一環(huán)，其主要任務是將決策系統(tǒng)的控制命令實時準確地傳送給每個機器人，機器人按照決策系統(tǒng)的指令做出相應的動作，其通信性能好壞，將嚴重影響機器人的運動和比賽的順利進行。由于機器人足球比賽是一個動態(tài)、快速的實時系統(tǒng)，要求無線通信系統(tǒng)有較高的通信速率、穩(wěn)定性和抗干擾性。另外，通信模塊的大小也要適應足球機器人小車小型化的要求。因而，開發(fā)出通信速率高、集成度好、可靠性高、抗干擾能力強的無線通信系統(tǒng)對于贏得比賽具有重要的意義［3］。本文為提高通信系統(tǒng)的性能，設計開發(fā)了一種基于PTR6000的高速無線通信系統(tǒng)。

1 足球機器人無線通信機理及通信硬件的選用

根據(jù)比賽規(guī)則，主機和機器人小車之間的通信采用無線方式，且兩支球隊的無線頻道不同［4］。無線通信系統(tǒng)負責將主機決策機構形成的控制命令通過計算機控制串行數(shù)據(jù)輸出至無線發(fā)射器，經(jīng)調(diào)制后發(fā)射出去，機器人小車上的接收模塊解調(diào)出無線信號上所載的命令信息，然后傳送給車載微處理器進一步處理，各機器人必須根據(jù)自身的程序去篩選屬于自己的命令信息。

作為無線通信的空中接口，通信芯片的選型會直接影響到系統(tǒng)通信的高效性和可靠性［5］。根據(jù)本系統(tǒng)對無線通信裝置提出的頻率可選、通信速率高、性能可靠、體積小等要求，本系統(tǒng)選定挪威Nordic公司nRF2401芯片的PTR6000模塊作為無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。其工作在全球開發(fā)的2．4 GHz ISM頻段，通信速率高達2 Mb/s，有125個頻道，滿足多頻及跳頻需要；另外半雙工無線收發(fā)一體，因而通信方式比較靈活；體積小，所需外圍元件少，接口電路簡單，因此特別適合于足球機器人小型化的要求；可直接連接單片機串口，也可接PC機RS 232串口，軟件編程非常方便；抗干擾能力強；功耗小。

2 無線通信系統(tǒng)硬件電路的設計

2.1 發(fā)射器的設計

在無線發(fā)射器中，核心部件采用了AT89LS52單片機和PTR6000的超高頻無線收發(fā)模塊，配合電平轉(zhuǎn)換電路及邏輯電路而成，其電路圖如圖1所示。從圖中可以看出，AT89LS52的RXD口接收來自PC機的數(shù)據(jù)信號，通過對PTR6000的初始化，使它工作在發(fā)射狀態(tài)，ShockBurstTM模式定義數(shù)據(jù)包格式，同時通過CE，CLK和DATA三線接口將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

由于PC機串口采用RS 232電平，而無線通信模塊PTR6000以及單片機AT89LS52均使用TTL/CMOS電平，所以要進行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中采用MAX232芯片，它是一種電平轉(zhuǎn)換芯片，可以將TTL轉(zhuǎn)換為RS 232，或?qū)S 232轉(zhuǎn)換為TTL，能滿足單片機或普通計算機的通信電平轉(zhuǎn)換要求。

2.2 接收器的設計

接收器電路圖如圖2所示。接收端裝在每個機器人小車上，由于機器人小車的控制采用DSP控制器TMS320LF2407A，因而在接收端PTR6000無線通信模塊就采用 TMS320LF2407A來控制［6］。因PTR6000模塊與單片機采用的電平標準同為TTL/CMOS電平，所以在接收端直接將兩者連接。上電以后TMS320LF2407A首先配置PTR6000模塊，先將CS，CE設為配置模式，TMS320LF2407A通過PTR6000的CLKI，DATA將120 b配置數(shù)據(jù)移入PTR6000模塊，完成無線模塊寄存器配置后，由TMS320LF2407A控制CS，CE啟動接收模式。當接收數(shù)據(jù)的地址與本機地址一致時，通過DRI輸出中斷指示(高電平有效)，DSP通過DATA，CLKI接收數(shù)據(jù)。

另外，在本系統(tǒng)設計中增加了跳頻撥碼開關，與之對應的發(fā)射電路也設置了跳頻撥碼開關，通過調(diào)整撥碼開關的位置輸入不同的電平組合信號便可由軟件跳轉(zhuǎn)到相應頻道，以適應比賽時更換頻率的需要。

3 無線通信系統(tǒng)軟件設計

3.1 無線通信方式與協(xié)議

由于足球機器人的活動空間有限，通常采用單向通信方式。為了實現(xiàn)一對多的通信，采用廣播方式，所有的機器人采用與發(fā)射器相同的通信頻率。每個控制周期無線發(fā)射器發(fā)射一幀數(shù)據(jù)給本方所有機器人，各機器人根據(jù)自身編號讀取數(shù)據(jù)幀的不同字段，獲得自己的運動控制指令［7］。

圖2 接收器電路圖 本系統(tǒng)的足球機器人采用兩輪差動方式驅(qū)動，因此，機器人的運動控制指令就是該機器人的左右輪速度設定值。足球機器人系統(tǒng)命令格式如表1所示。賽場上的機器人小車首先接收機器人標識字節(jié)，并與自身的標志相比較。當比較匹配時，則認定后面的2個字節(jié)是發(fā)送給本機的指令，準備接收；否則，屏蔽掉后面的2個字節(jié)的指令，等待下一組的指令信息［8］。

3.2 收發(fā)器的軟件設計

通信系統(tǒng)的軟件主要有兩部分:一是AT89LS52上的從RS 232接收和往PTR6000發(fā)射數(shù)據(jù)；二是DSP2407A從PTR6000接收數(shù)據(jù)。圖3給出它們的流程框圖［9］。

圖3 收發(fā)器的軟件流程框圖發(fā)射器中的單片機AT89LS52接收到上位機的通信指令后，將接收到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議打包，然后通過對CLKl引腳和DATA引腳編程按照數(shù)據(jù)手冊上的時序圖將數(shù)據(jù)按位寫入PTR6000并以廣播形式發(fā)送給各個足球機器人。

足球機器人的接收程序則由機器人上的DSP2407A 執(zhí)行， 每個機器人根據(jù)各自設定的編號， 從接收緩沖區(qū)取出相應左右輪速度值［10］。接收端的PTR6000在收到與本機地址相同的數(shù)據(jù)包后將DR1數(shù)據(jù)就緒引腳置為高電平，由于本設計將此引腳連接到了DSP的XINT2中斷引腳，因此DR1的上升沿將導致DSP轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷服務程序，通過對CLK1和DATA引腳編程以數(shù)據(jù)手冊提供的時序讀取接收數(shù)據(jù)。

4 實驗數(shù)據(jù)與結果分析

為了測試無線通信子系統(tǒng)的效果。這里做了實驗，從發(fā)射器發(fā)送相同次數(shù)(400次)的數(shù)據(jù)，記錄機器人接收到數(shù)據(jù)正確(通信成功)和錯誤(通信失敗)的次數(shù)。實驗結果如表2所示，可以看出，通信成功率很高，可靠性很好。

5 結 語

本文詳細介紹了基于PTR6000通信模塊所開發(fā)的足球機器人無線通信子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。實驗證明，本設計使機器人小車系統(tǒng)在精度和運行性能方面得到很大提高，可以滿足足球機器人對速度、可靠性及抗干擾能力的要求。

參 考 文 獻

［1］ 吳振宇，劉崇杰，馮林．USB接口的小型機器人全雙工無線通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］．儀器儀表學報，2007，28(8)：823825．

［2］ 王慧林，符秀輝．PTR4000無線模塊在足球機器人子系統(tǒng)上的應用［J］．儀器儀表學報，2008，29(4)：253256．

［3］ 馬英慶，程福，趙臣．基于BIM418(433)F的足球機器人無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)［J］．電子工程師，2008，34(1)：6869．

［4］ 程福，馬英慶．基于Conrad433／868的FIRA足球機器人無線通信系統(tǒng)［J］．信息與電子工程，2010，8(2)：240243．

［5］ 廖小春，姚遠程．小型足球機器人無線通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］．現(xiàn)代電子技術，2010，33(15)：6770．

［6］ 徐璟業(yè)，陳繼榮，蔣治華，等．F180小型足球機器人的無線通信系統(tǒng)設計［J］．電子技術應用，2004(5)：6063．

［7］ 霍迎輝．機器人足球比賽系統(tǒng)中的三個子系統(tǒng)的研究和設計［D］．廣州:廣東工業(yè)大學，2004．

［8］ 黨斌．基于DSP的移動機器人的無線通信系統(tǒng)的研究［D］．成都:西華大學，2008．

［9］ 謝云．全自主機器人足球比賽系統(tǒng)的通信與多傳感器信息融合技術［D］．廣州:廣東工業(yè)大學，2005．

［10］ 彭日亮，楊宜民，王赟．基于PTR4000的足球機器人無線通信子系統(tǒng)的設計［J］．計算機工程與應用，2007，43(17)：108110．

作者簡介： 劉銀萍 女，1980年出生，廣東潮州人，碩士，實驗師。主要從事機器人智能控制研究。

2012年5月1日第35卷第9期